KAIST·KIST, 초고효율 수소 촉매 개발…효율 20배↑

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국내 공동 연구진이 기존보다 성능을 대폭 높인 초고효율 수소생산촉매 소재를 선보였다.

한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 정연식 신소재공학과 교수, 김진영 한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진) 박사 공동 연구팀이 수소생산에 쓰이는 기존 촉매 대비 20배 이상 효율을 높인 신개념 3차원 나노촉매 소재 기술개발에 성공했다고 11일 밝혔다.

수소 경제는 수소를 주 에너지원으로 사용하는 미래형 산업 구조다. 친환경적이면서 높은 효율을 가져 정부도 수소 경제 육성과 활성화에 나서고 있다.

성냥개비 탑 형상의 3차원 수소 촉매 모습 및 성능
<성냥개비 탑 형상의 3차원 수소 촉매 모습 및 성능>

핵심 과제는 수소를 저렴하게 생산하는 것이다. '고분자 전해질막 수전해(PEMWE)' 기술은 태양전지나 잉여 전기에너지를 이용, 물을 전기분해해 친환경적 방법으로 고순도 수소를 생산한다.

KAIST·KIST 공동연구팀은 전기분해 장치 양극에 사용되는 새로운 개념의 3차원 촉매소재 기술을 개발하는 데 성공했다.

고가의 이리듐(Ir) 촉매 사용량을 획기적으로 감축한 것을 특징으로 들 수 있다. Ir 촉매는 매우 고가다. 상용화를 위해서는 사용량 감축은 물론 효율을 대폭 개선해야 한다.

사진 왼쪽부터 정연식 KAIST 교수, 김진영 KIST 박사, 김예지 KAIST 석사(현 MIT 박사과정)
<사진 왼쪽부터 정연식 KAIST 교수, 김진영 KIST 박사, 김예지 KAIST 석사(현 MIT 박사과정)>

연구팀은 3D 프린팅과 유사한 원리인 초미세 전사프린팅 적층 기술을 활용해 '성냥개비 탑'을 닮은 3차원 이리듐 촉매 구조 제작 기술을 개발했다. 무작위 형상과 배열을 가지는 기존 상용 이리듐 나노입자 촉매와 달리 규칙적 구조를 지녀 촉매 표면에서 생성된 가스 버블이 효율적으로 잘 빠져나온다. 이 결과 활성도를 높게 유지할 수 있었다. 훨씬 적은 Ir를 사용해 전기분해 장치 성능을 높일 수 있다. Ir 질량 당 촉매 효율로 환산하면 20배 이상의 높은 효율을 보인다.

정연식 교수는 “연구팀이 개발한 3차원 적층 프린팅 방식의 촉매 생산기술은 복잡한 화학적 합성에 의존하던 기존 기술 패러다임을 뒤집은 것”이라며 “향후 다양한 분야에 상업적으로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

김진영 박사는 “이번 연구결과를 활용할 경우 귀금속 촉매 비용을 절감하면서도 동시에 성능을 획기적으로 증대시킬 수 있다”며 “상업적 경쟁력 확보가 가능한 친환경 수소생산이 가능하다”고 전망했다.

한편 이번 연구에는 김형수 KAIST 기계공학과 교수, 박현서 KIST 박사, 안현서 연세대 교수 등이 공동 연구진으로 참여했다. KAIST 신소재공학과 석사과정 졸업생이면서 미국 매사추세츠공대(MIT) 박사과정에 재학 중인 김예지 연구원이 제1 저자로 참여했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com